CN108857908A

CN108857908A - 一种基于氨基模塑料磨料的铝合金表面气射流抛光方法

Info

Publication number: CN108857908A
Application number: CN201810783419.7A
Authority: CN
Inventors: 朱延松; 左敦稳; 卢文壮; 肖和平; 曹大伟
Original assignee: CHANGZHOU JOEL PLASTIC Co Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: CHANGZHOU JOEL PLASTIC Co Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2018-11-23

Abstract

一种基于氨基模塑料磨料铝合金表面气射流抛光方法，属于金属表面抛光技术领域，其特征是先将不同粒度级别的氨基模微颗粒均匀混合后制成抛光磨料，将此抛光磨料放入到喷砂机内，在一定喷射压力、喷射角度和喷射距离的条件下对铝合金试样表面进行喷射的一种表面抛光处理工艺方法。其中，磨料颗粒结构为多面体的棱角状和次棱角状结构。通过此种磨料气射流加工方法对7075铝合金表面进行加工后，铝合金基体加工表面光滑平整，未发现磨料嵌入及划伤等损伤缺陷，实现了铝合金表面抛光加工，且抛光效果良好。使用后的氨基模塑料磨料可回收利用。

Description

一种基于氨基模塑料磨料的铝合金表面气射流抛光方法

技术领域

本发明涉及一种材料的表面抛光方法，尤其是一种铝合金的表面抛光方法，具体地说是一种铝合金的表面氨基模塑料磨料气射流抛光方法。

背景技术

铝合金具有密度小、强度高以及优异的高低温性能和耐腐蚀性能而被广泛应用于航空、航天、化工、生物医学等领域。以7075铝合金为作代表的7系列铝合金因具有超高强度，特别适于制造飞机结构及其它要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件。

目前，航空用铝合金大型整体构件（如飞机整体壁板）制造可分为以下2种方案：①毛坯生产→切削加工→矫正→成形加工→光整加工和表面处理；②毛坯生产→成形加工→化学铣切→矫正→光整加工和表面处理。由上可知，航空用铝合金大型整体构件在经过切削及成形加工或成形加工及化学铣切加工后，均需进行表面进行光整加工，从而降低甚至避免铝合金构件因切削加工等所造成的表面损伤问题，提高构件表面精度和完整性，使其满足航空领域对大型整体结构件性能的要求。抛光加工作为一种简便、灵活、成本低的表面光整加工方法，不仅可去除前道工序的加工痕迹，改善工件表面的粗糙度，使工件其达到工艺设计要求，还能对加工表面变质层内的加工硬化、残余应力、金相组织变化以及塑性变形等有着直接的影响，改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能，故可为上述问题的解决提供有效方法。国内外已针对提高航空铝合金结构件表面精度和性能的抛光方法的进行了深入研究，也同时出现了不同的表面抛光方法来提高铝合金结构件表面精度和性能，主要有机械抛光、化学抛光和电解抛光。其中，机械抛光是利用物理手段而使表面平滑或光亮的抛光方法，易导致材料产生塑性变形层及组织变化层，并在工件表面留下研磨材料或油脂等异物，且对结构复杂的大型构件表面加工效率较低；化学抛光/电解抛光虽可对形状复杂及各种尺寸的工件进行抛光，但抛光过程中会析出有害气体，从而对环境和人体健康产生影响。为解决上述抛光方法存在的问题，人们开始研究并开发新型抛光加工技术，磨料气射流抛光就是其中之一。

磨料气射流抛光（Abrasive Air Jet finishing-Machining，AAJM）是利用磨料与空气或其他气体混合而成的高速喷射流，经特殊设计的喷嘴高速冲击射向工件，通过对表面材料的去除而达到提高材料表面精度和性能的新型抛光方法。与传统的抛光方法相比，磨料气射流加工具有良好的适用性和通用性，不受工件结构复杂程度的限制，且其结构简单、成本低，加工后工件表面粗糙度均匀，故适用于大型复杂构件表面抛光。

磨料气射流加工虽具有上述优点，但针对铝合金表面加工其主要存在问题是：使用的抛光磨料大多为氧化铝、碳化硅等硬质磨料，磨粒硬度均明显大于铝合金基体硬度（约为铝合金基体硬度的4~6倍），极易导致磨料嵌入基体表面及表面划伤等损伤缺陷。而采用多面体棱角结构的氨基模塑料磨料对铝合金表面进行气射流抛光，由于磨料硬度（400~450HB）仅为氧化铝、碳化硅等硬质磨料的1/2，故可在减少甚至避免磨料嵌入及表面划伤等损伤缺陷的条件下进行铝合金表面磨料气射流抛光加工，从而提高铝合金构件表面性能。同时，AAJM方法对工件结构和尺寸无要求，是一个快速便捷、灵活方便、经济高效、无毒、环保、可控性强的工艺过程。但目前采用氨基模塑料磨料对铝合金表面进行气射流抛光的方法国内外少有提及。

发明内容

本发明的目的是针对现有磨料气射流加工用磨料硬度远大于被加工铝合金基体硬度而易造成铝合金表面产生磨料嵌入及表面划伤等表面损伤缺陷，发明一种基于中软性的氨基模塑料磨料的铝合金表面磨料气射流加工方法。它解决了现有铝合金表面磨料气射流加工时表面易产生磨料嵌入及表面划伤等难题，实现了铝合金表面抛光加工，它尤其适用于大型铝合金整体结构件表面抛光加工。

本发明的技术方案是：

一种基于氨基模塑料磨料的铝合金表面气射流抛光方法，其特征是它包括氨基模塑料磨料的制备及表面气射流抛光加工；其中：

氨基模塑料的制备是指：

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分混合均匀后，得到中软性的氨基模塑料磨料。

磨料气射流抛光加工是指：

将所得到的中软性的氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用直孔碳化硼喷嘴，在喷射压力为0.05~0.7MPa，喷射角度为70º~90º，喷射距离为5~50mm的条件下对铝合金试样表面进行喷射40秒~3分钟。

所述的中软性氨基模塑料磨料颗粒结构为多面体棱角状和次棱角状结构，磨料硬度为400~450HB，磨料堆积密度为0.65~0.85g/cm³。

所述的氨基模塑料磨料中的3种粒径级别颗粒按质量百分比计分别为：30~40目颗粒为45~50%，40~50目颗粒为45~50%，50~60目颗粒为≤10%。

所述的铝合金表面磨料气射流抛光加工用碳化硼喷嘴内孔直径为Ø3.0~Ø10.0mm，喷嘴长度为35~82mm，喷嘴外圆直径为Ø15.0~Ø20.0mm。

所述的铝合金表面磨料气射流抛光加工所需压力由往复式活塞空气压缩机对空气进行压缩增压后所得，压缩机排气压力为0.6~0.8MPa，公称容积流量为0.8~1.0m³/min，主轴转速为600~830r/min。

所述的铝合金试样采用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为50~200mm。

所述的铝合金为7系列中7075铝合金，也可适用于7系列其它铝合金或其它系列铝合金。

本发明的基理是：

利用氨基模塑料磨料颗粒与空气混合产成的高速束流，经喷嘴高速射向铝合金工件表面，在表面不产生磨料嵌入及表面划伤的条件下对铝合金工件表面进行磨料气射流加工，提高铝合金构件表面精度，改善铝合金构件表面性能，从而达到表面抛光的目的。

本发明的有益效果：

1、本发明采用了中软性氨基模塑料颗粒作为抛光磨料，可在铝合金基体表面不产生损伤的条件下快速实现抛光加工，是一个工艺简单，经济高效、可控性强的铝合金表面抛光工艺。

2、本发明可提高铝合金结构件表面精度，改善铝合金结构件表面耐腐蚀性、耐磨性等其它特殊性能。

3、本发明采用的中软性氨基模塑料磨料，在使用过程中不产生毒性，具有环保，抗磨擦性能和抗静电性能强等突出优点。

4、采用本发明方法对铝合金表面进行抛光加工，可使铝合金工件表面粗糙度达到Ra1.0~2.5µm。

5、本发明所述的抛光方法不仅适用于7系列中7075铝合金，也可适用于其它系列的铝合金。

附图说明

图1为本发明实例1所用 30~50目氨基模塑料磨料颗粒微观形貌图。

图2为本发明实例2经抛光后的铝合金表面微观形貌图。

图3为本发明实例3经抛光后的铝合金表面粗糙度轮廓曲线及粗糙度R_a值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于氨基模塑料磨料的合金表面气射流抛光方法，所使用的部分设备有往复式活塞空气压缩机、喷砂机、碳化硼喷嘴、球磨机这些设备均为市场所售的常规产品。铝合金材料为航空用高强度7075铝合金，抛光磨粒为氨基模塑料颗粒，其主要化学成分为C和O。具体步骤如下：

1、氨基模塑料的制备是指：

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料磨料颗粒按一定比例放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。其中，3种氨基模塑料颗粒按质量百分比计为：30~40目颗粒为45~50%，40~50目颗粒为45~50%，50~60目颗粒为≤10%。

2、磨料气射流抛光加工是指：

将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用内孔径Ø3.0~Ø10.0mm的碳化硼喷嘴，喷嘴长度为35~82mm，喷嘴外圆直径为Ø15.0~Ø20.0mm，在喷射压力为0.05~0.7MPa，喷射角度为70º~90º，喷射距离为5~50mm的条件下对铝合金试样表面进行喷射40秒~3分钟。

实例1。

步骤1、磨料制备

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料磨料颗粒（如图1）按一定比例放入到球磨机内搅拌12分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为50%，40~50目颗粒的质量百分比为50%。

步骤2、磨料气射流抛光加工

将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用内孔径Ø8.0mm的碳化硼喷嘴，喷嘴长度为50mm，喷嘴外圆直径为Ø18mm，在喷射压力为0.4MPa，喷射角度为70º，喷射距离为10mm的条件下对铝合金试样表面进行喷射50秒。

取出试样进行检测。经苏州英仕精密机械有限公司ISM-PM200SB型电子显微镜对氨基模塑料磨料结构进行检测后得出氨基模塑料磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构，如图1。经北京科旭仪器有限公司SRT-220型接触式表面形貌仪对铝合金加工表面粗糙度进行检测得出铝合金试样表面粗糙度为R_a=1.951μm。经S-4800型扫描电子显微镜（SEM）对铝合金磨料试样加工表面微观形貌分析检测，得出铝合金试样表面未发现磨料嵌入及表面划痕现象。

实例2。

步骤1、磨料制备

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料磨料颗粒按一定质量百分比放入到球磨机内搅拌10分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为50%，40~50目颗粒的质量百分比为45%，50~60目颗粒的质量百分比为5%。

步骤2、磨料气射流抛光加工

将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用内孔径Ø3.0mm的碳化硼喷嘴，喷嘴长度为35mm，喷嘴外圆直径为Ø15mm，在喷射压力为0.05MPa，喷射角度为80º，喷射距离为5mm的条件下对铝合金试样表面进行喷射180秒。

取出试样进行检测。经苏州英仕精密机械有限公司ISM-PM200SB型电子显微镜对氨基模塑料磨料结构进行检测后得出氨基模塑料磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构。经北京科旭仪器有限公司SRT-220型接触式表面形貌仪对铝合金加工表面粗糙度进行检测得出铝合金试样表面粗糙度为R_a=1.000μm。经S-4800型扫描电子显微镜（SEM）对铝合金试样加工表面微观形貌分析检测，得出经加工后的铝合金试样表面未发现磨料嵌入及表面划痕现象（图2）。

实例3。

步骤1、磨料制备

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料磨料颗粒按一定质量百分比放入到球磨机内搅拌15分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为45%，40~50目颗粒的质量百分比为45%，50~60目颗粒的质量百分比为10%。

步骤2、磨料气射流抛光加工

将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用内孔径Ø10.0mm的碳化硼喷嘴，喷嘴长度为82mm，喷嘴外圆直径为Ø20mm，在喷射压力为0.2MPa，喷射角度为70º，喷射距离为15mm的条件下对铝合金试样表面进行喷射80秒。

取出试样进行检测。经苏州英仕精密机械有限公司ISM-PM200SB型电子显微镜对氨基模塑料磨料结构进行检测后得出氨基模塑料磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构。经北京科旭仪器有限公司SRT-220型接触式表面形貌仪对铝合金抛光表面粗糙度进行检测得出铝合金试样表面粗糙度为R_a=1.29μm（图3）。经S-4800型扫描电子显微镜（SEM）对铝合金试样加工表面微观形貌分析检测，得出铝合金试样表面未发现磨料嵌入及表面划痕现象，形貌图与图2类似。

实例4。

步骤1、磨料制备

将粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种氨基模塑料磨料颗粒按一定质量百分比放入到球磨机内搅拌15分钟，使颗粒充分混合均匀后得到混合磨料。具体比例为：30~40目颗粒的质量百分比为48%，40~50目颗粒的质量百分比为48%，50~60目颗粒的质量百分比为4%。

步骤2、磨料气射流抛光加工

将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用内孔径Ø3.0mm的碳化硼喷嘴，喷嘴长度为45mm，喷嘴外圆直径为Ø16mm，在喷射压力为0.7MPa，喷射角度为90º，喷射距离为50mm的条件下对铝合金试样表面进行喷射40秒。

取出试样进行检测。经苏州英仕精密机械有限公司ISM-PM200SB型电子显微镜对氨基模塑料磨料结构进行检测后得出氨基模塑料磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构。经北京科旭仪器有限公司SRT-220型接触式表面形貌仪对铝合金抛光表面粗糙度进行检测得出铝合金试样表面粗糙度为R_a=2.5μm。经S-4800型扫描电子显微镜（SEM）对铝合金试样加工表面微观形貌分析检测，得出铝合金试样表面未发现磨料嵌入及表面划痕现象，形貌图与图2类似。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种基于氨基模塑料磨料铝合金表面气射流抛光方法，其特征是采用中软性氨基模塑料颗粒为磨料，将氨基模塑料磨料放入到喷砂机内，将铝合金试样居中平放于喷砂机工作台上方，采用直孔碳化硼喷嘴，控制喷射压力，喷射角度和喷射距离对铝合金表面进行喷射40秒~3分钟至表面粗糙度Ra1.0~2.5µm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的中软性氨基模塑料磨料颗粒为多面体棱角状和次棱角状结构，磨料硬度为400~450HB，磨料堆积密度为0.65~0.85g/cm³。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的氨基模塑料磨料由粒径级别分别为30~40目，40~50目和50~60目的3种颗粒按一定质量百分比放入到球磨机内搅拌10~20分钟，使颗粒充分混合均匀后所得，其中，3种粒径氨基模塑料颗粒的质量百分比分别为：30~40目颗粒为45~50%，40~50目颗粒为45~50%，50~60目颗粒为≤10%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的碳化硼喷嘴内孔直径为Ø3.0~Ø10.0mm，喷嘴长度为35~82mm，喷嘴外圆直径为Ø15.0~Ø20.0mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的喷射压力，喷射角度和喷射距离分别为：喷射压力0.05~0.7MPa，喷射角度70º~90º，喷射距离5~50mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的铝合金表面磨料气射流抛光加工所需压力由往复式活塞空气压缩机对空气进行压缩增压后所得，压缩机排气压力为0.6~0.8MPa，公称容积流量为0.8~1.0m³/min，主轴转速为600~830r/min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的铝合金采用3点支撑法进行定位，按等边三角形布置，试样底面到工作台的距离为50~200mm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的铝合金为7系列铝合金。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征是所述的铝合金为7系列中的7075铝合金。